1 Ievads
Shēmas plates montāžā lodēšanas pasta vispirms tiek uzdrukāta uz shēmas plates lodēšanas laukuma, un pēc tam tiek piestiprināti dažādi elektroniskie komponenti. Visbeidzot, pēc reflow krāsns lodēšanas pastā esošās alvas lodītes tiek izkausētas, un visu veidu elektroniskie komponenti un shēmas plates lodēšanas laukums tiek sametināti kopā, lai realizētu elektrisko apakšmoduļu montāžu. Virsmas montāžas tehnoloģija (sMT) arvien vairāk tiek izmantota augsta blīvuma iepakojuma izstrādājumos, piemēram, sistēmas līmeņa iepakojumā (siP), lodveida masīva (BGA) ierīcēs un barošanas bloku mikroshēmās, kvadrātveida plakanās kontaktu bez iepakojuma (quad aatNo-lead, sauktas par QFN) ierīcēs.
Lodēšanas pastas metināšanas procesa un materiālu īpašību dēļ pēc šo lielo lodēšanas virsmu ierīču atkārtotas metināšanas lodēšanas metināšanas zonā būs caurumi, kas ietekmēs izstrādājuma elektriskās, termiskās un mehāniskās īpašības un pat novedīs pie izstrādājuma atteices, tāpēc lodēšanas pastas atkārtotas metināšanas dobuma uzlabošana ir kļuvusi par procesu un tehnisku problēmu, kas jārisina, daži pētnieki ir analizējuši un pētījuši BGA lodēšanas lodīšu metināšanas dobuma cēloņus un snieguši uzlabošanas risinājumus, trūkst tradicionālā lodēšanas pastas atkārtotas metināšanas procesa metināšanas laukuma QFN, kas lielāks par 10 mm2, vai metināšanas laukuma, kas lielāks par 6 mm2, tukšas mikroshēmas risinājuma.
Lai uzlabotu metināšanas atveri, izmantojiet sagatavju lodmetālu un vakuuma atteces krāsns metināšanu. Saliekamai lodēšanai ir nepieciešams īpašs aprīkojums plūsmas uzklāšanai. Piemēram, pēc mikroshēmas novietošanas tieši uz saliekamās lodēšanas tā tiek ievērojami nobīdīta un sasvērta. Ja plūsmas stiprinājuma mikroshēma tiek pārkausēta un pēc tam uzklāta, process palielinās par divām reizēm, un saliekamās lodēšanas un plūsmas materiāla izmaksas ir daudz augstākas nekā lodēšanas pastas.
Vakuuma refluksa iekārtas ir dārgākas, neatkarīgās vakuuma kameras vakuuma jauda ir ļoti zema, izmaksu efektivitāte nav augsta, un alvas šļakatu problēma ir nopietna, kas ir svarīgs faktors augsta blīvuma un maza soļa izstrādājumu pielietošanā. Šajā rakstā, pamatojoties uz parasto lodēšanas pastas reflow metināšanas procesu, tiek izstrādāts un ieviests jauns sekundārais reflow metināšanas process, lai uzlabotu metināšanas dobumu un atrisinātu metināšanas dobuma izraisītās līmēšanas un plastmasas blīvējuma plaisāšanas problēmas.
2 Lodēšanas pastas drukāšanas reflow metināšanas dobums un ražošanas mehānisms
2.1 Metināšanas dobums
Pēc atkārtotas metināšanas izstrādājums tika pārbaudīts rentgena gaismā. Caurumi metināšanas zonā ar gaišāku krāsu tika konstatēti nepietiekama lodējuma dēļ metināšanas slānī, kā parādīts 1. attēlā.
Burbuļa cauruma rentgena noteikšana
2.2 Metināšanas dobuma veidošanās mehānisms
Ņemot par piemēru sAC305 lodēšanas pastu, tās galvenais sastāvs un funkcija ir parādīta 1. tabulā. Flukss un alvas lodītes ir savienotas kopā pastas formā. Alvas lodmetāla un fluksa svara attiecība ir aptuveni 9:1, un tilpuma attiecība ir aptuveni 1:1.
Pēc tam, kad lodēšanas pasta ir uzdrukāta un uzmontēta uz dažādiem elektroniskiem komponentiem, lodēšanas pasta, izejot cauri atplūdes krāsnij, iziet cauri četriem posmiem: uzsildīšanai, aktivizēšanai, atplūdei un dzesēšanai. Lodēšanas pastas stāvoklis dažādos posmos atšķiras arī atkarībā no temperatūras, kā parādīts 2. attēlā.
Profila atsauce katrai atkārtotas lodēšanas zonai
Priekšsildīšanas un aktivācijas posmā lodēšanas pastā esošās plūsmas gaistošās sastāvdaļas karsēšanas laikā pārvēršas gāzē. Vienlaikus, noņemot oksīdu no metināšanas slāņa virsmas, radīsies gāzes. Daļa no šīm gāzēm iztvaikos un atstās lodēšanas pastu, un lodēšanas lodītes blīvi kondensēsies plūsmas iztvaikošanas dēļ. Atplūdes posmā atlikušā plūsma lodēšanas pastā ātri iztvaikos, alvas lodītes izkusīs, neliels daudzums plūsmas gaistošās gāzes un lielākā daļa gaisa starp alvas lodītēm netiks laikus izkliedētas, un atlikums izkausētajā alvā un izkausētās alvas sprieguma ietekmē veidos sendviča struktūru un nonāks shēmas plates lodēšanas laukumā un elektroniskajās detaļās, un šķidrajā alvā ietīto gāzi ir grūti izvadīt tikai augšupvērstā peldspējas dēļ. Augšējā kušanas laiks ir ļoti īss. Kad izkausētā alva atdziest un kļūst par cietu alvu, metināšanas slānī parādās poras un veidojas lodēšanas caurumi, kā parādīts 3. attēlā.
Lodēšanas pastas atkārtotas metināšanas radītā tukšuma shematiska diagramma
Metināšanas dobuma pamatcēlonis ir tas, ka gaiss vai gaistošā gāze, kas ietīta lodēšanas pastā pēc kušanas, netiek pilnībā izvadīta. Ietekmējošie faktori ir lodēšanas pastas materiāls, lodēšanas pastas drukas forma, lodēšanas pastas drukas daudzums, atteces temperatūra, atteces laiks, metināšanas izmērs, struktūra utt.
3. Lodēšanas pastas drukāšanas reflow metināšanas caurumu ietekmējošo faktoru pārbaude
Lai apstiprinātu galvenos atkārtotas metināšanas tukšumu cēloņus un atrastu veidus, kā uzlabot lodēšanas pastas iespiestos atkārtotas metināšanas tukšumus, tika izmantoti QFN un tukšas mikroshēmas testi. QFN un tukšas mikroshēmas lodēšanas pastas atkārtotas metināšanas produkta profils ir parādīts 4. attēlā, QFN metināšanas virsmas izmērs ir 4,4 mm x 4,1 mm, metināšanas virsma ir alvas slānis (100% tīra alva); tukšās mikroshēmas metināšanas izmērs ir 3,0 mm x 2,3 mm, metināšanas slānis ir uzsmidzināts niķeļa-vanādija bimetāla slānis, un virsmas slānis ir vanādijs. Substrāta metināšanas spilventiņš bija bezgalvaniska niķeļa-pallādija zelta iegremdēšana, un biezums bija 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. Tiek izmantota SAC305 lodēšanas pasta, lodēšanas pastas drukas iekārta ir DEK Horizon APix, atteces krāsns iekārta ir BTUPyramax150N un rentgena iekārta ir DAGExD7500VR.
QFN un tukšu skaidu metināšanas rasējumi
Lai atvieglotu testa rezultātu salīdzināšanu, atkārtotas plūsmas metināšana tika veikta 2. tabulā norādītajos apstākļos.
Reflow metināšanas nosacījumu tabula
Pēc virsmas montāžas un atkārtotas metināšanas pabeigšanas metināšanas slānis tika noteikts ar rentgena staru palīdzību, un tika konstatēts, ka metināšanas slānī QFN apakšā un tukšajā mikroshēmā ir lieli caurumi, kā parādīts 5. attēlā.
QFN un mikroshēmas hologramma (rentgena starojums)
Tā kā alvas lodīšu izmērs, tērauda sieta biezums, atvēruma laukuma ātrums, tērauda sieta forma, atteces laiks un maksimālā krāsns temperatūra ietekmē atkārtotas metināšanas tukšumus, pastāv daudzi ietekmējošie faktori, kurus tieši pārbaudīs DOE tests, un eksperimentālo grupu skaits būs pārāk liels. Ir nepieciešams ātri pārbaudīt un noteikt galvenos ietekmējošos faktorus, izmantojot korelācijas salīdzināšanas testu, un pēc tam vēl vairāk optimizēt galvenos ietekmējošos faktorus, izmantojot DOE.
3.1 Lodēšanas caurumu un lodēšanas pastas alvas lodīšu izmēri
Veicot 3. tipa (lodīšu izmērs 25–45 μm) SAC305 lodēšanas pastas testu, pārējie apstākļi paliek nemainīgi. Pēc atkārtotas kausēšanas lodēšanas slāņa caurumi tiek mērīti un salīdzināti ar 4. tipa lodēšanas pastu. Tika konstatēts, ka lodēšanas slāņa caurumi abu veidu lodēšanas pastām būtiski neatšķiras, kas norāda, ka lodēšanas pastai ar atšķirīgu lodīšu izmēru nav acīmredzamas ietekmes uz lodēšanas slāņa caurumiem, kas nav ietekmējošs faktors, kā parādīts 6. attēlā.
Metālisku alvas pulveru caurumu salīdzinājums ar dažādiem daļiņu izmēriem
3.2 Metināšanas dobuma un iespiestā tērauda sieta biezums
Pēc atkārtotas kausēšanas metinātā slāņa dobuma laukums tika mērīts ar apdrukātu tērauda sietu ar biezumu 50 μm, 100 μm un 125 μm, un citi apstākļi palika nemainīgi. Tika konstatēts, ka dažāda tērauda sieta (lodēšanas pastas) biezuma ietekme uz QFN tika salīdzināta ar apdrukāta tērauda sieta ar biezumu 75 μm ietekmi. Palielinoties tērauda sieta biezumam, dobuma laukums pakāpeniski samazinās. Pēc noteikta biezuma (100 μm) sasniegšanas dobuma laukums mainīs virzienu un sāks palielināties, palielinoties tērauda sieta biezumam, kā parādīts 7. attēlā.
Tas parāda, ka, palielinot lodēšanas pastas daudzumu, šķidrā alva ar atplūdi ir pārklāta ar mikroshēmu, un atlikušā gaisa izplūdes atvere ir šaura tikai no četrām pusēm. Mainot lodēšanas pastas daudzumu, palielinās arī atlikušā gaisa izplūdes atvere, un tūlītēja gaisa plīsums, kas ietīts šķidrā alvā, vai gaistošā gāze, kas izplūst no šķidrās alvas, izraisīs šķidrās alvas šļakstīšanos ap QFN un mikroshēmu.
Testā tika atklāts, ka, palielinoties tērauda sieta biezumam, palielinās arī burbuļu plīsums, ko izraisa gaisa vai gaistošo gāzu izplūšana, un attiecīgi palielināsies arī alvas šļakatu varbūtība ap QFN un skaidu.
Dažāda biezuma tērauda sietu caurumu salīdzinājums
3.3 Metināšanas dobuma un tērauda sieta atveres laukuma attiecība
Tika testēts iespiestais tērauda siets ar atvēruma ātrumu 100%, 90% un 80%, un citi apstākļi palika nemainīgi. Pēc pārkausēšanas tika izmērīts metinātā slāņa dobuma laukums un salīdzināts ar iespiesto tērauda sietu ar 100% atvēruma ātrumu. Tika konstatēts, ka metinātā slāņa dobumā nebija būtiskas atšķirības apstākļos, kad atvēruma ātrums bija 100% un 90% 80%, kā parādīts 8. attēlā.
Dažādu tērauda sietu dažādu atvērumu laukumu dobumu salīdzinājums
3.4 Metināta dobuma un iespiesta tērauda sieta forma
Veicot lodēšanas pastas sloksnes b un slīpā režģa c drukas formas pārbaudi, pārējie apstākļi paliek nemainīgi. Pēc pārkausēšanas tiek mērīts metināšanas slāņa dobuma laukums un salīdzināts ar režģa a drukas formu. Tiek konstatēts, ka metināšanas slāņa dobumā nav būtiskas atšķirības režģa, sloksnes un slīpā režģa apstākļos, kā parādīts 9. attēlā.
Caurumu salīdzinājums dažādos tērauda sieta atvēršanas veidos
3.5 Metināšanas dobums un atteces laiks
Pēc ilgstoša atteces laika (70 s, 80 s, 90 s) testa, pārējiem apstākļiem paliekot nemainīgiem, metināšanas slāņa caurums tika mērīts pēc atteces, un, salīdzinot ar 60 s atteces laiku, tika konstatēts, ka, palielinoties atteces laikam, metināšanas cauruma laukums samazinājās, bet samazinājuma amplitūda pakāpeniski samazinājās, palielinoties laikam, kā parādīts 10. attēlā. Tas parāda, ka nepietiekama atteces laika gadījumā atteces laika palielināšana veicina pilnīgu gaisa pārplūdi, kas ietīts izkausētā šķidrā alvā, bet pēc tam, kad atteces laiks palielinās līdz noteiktam laikam, gaisam, kas ietīts šķidrā alvā, ir grūti atkal pārplūst. Atteces laiks ir viens no faktoriem, kas ietekmē metināšanas dobumu.
Dažādu refluksa laika garumu nederīgs salīdzinājums
3.6 Metināšanas dobuma un maksimālā krāsns temperatūra
Veicot 240 ℃ un 250 ℃ krāsns maksimālās temperatūras testu un nemainoties citiem apstākļiem, pēc atkārtotas kausēšanas tika mērīts metinātā slāņa dobuma laukums, un, salīdzinot ar 260 ℃ krāsns maksimālo temperatūru, tika konstatēts, ka dažādos krāsns maksimālās temperatūras apstākļos QFN un skaidas metinātā slāņa dobums būtiski nemainījās, kā parādīts 11. attēlā. Tas parāda, ka atšķirīgai krāsns maksimālajai temperatūrai nav acīmredzamas ietekmes uz QFN un caurumu skaidas metināšanas slānī, kas nav ietekmējošs faktors.
Dažādu maksimālo temperatūru salīdzinājums nav iespējams.
Iepriekš minētie testi liecina, ka nozīmīgākie faktori, kas ietekmē QFN metināšanas slāņa dobumu un skaidu, ir atteces laiks un tērauda sieta biezums.
4. Lodēšanas pastas drukāšanas atkārtotas metināšanas dobuma uzlabošana
4.1DOE tests metināšanas dobuma uzlabošanai
Caurums QFN un skaidas metināšanas slānī tika uzlabots, atrodot galveno ietekmējošo faktoru (atplūdes laika un tērauda sieta biezuma) optimālo vērtību. Lodēšanas pasta bija SAC305 tips 4, tērauda sieta forma bija režģa tipa (100% atvēruma pakāpe), maksimālā krāsns temperatūra bija 260 ℃, un citi testa apstākļi bija tādi paši kā testa iekārtām. DOE tests un rezultāti ir parādīti 3. tabulā. Tērauda sieta biezuma un atplūdes laika ietekme uz QFN un skaidas metināšanas caurumiem ir parādīta 12. attēlā. Analizējot galveno ietekmējošo faktoru mijiedarbību, tika konstatēts, ka, izmantojot 100 μm tērauda sieta biezumu un 80 s atplūdes laiku, var ievērojami samazināt QFN un skaidas metināšanas dobumu. QFN metināšanas dobuma veidošanās ātrums samazinās no maksimālā 27,8% līdz 16,1%, un skaidas metināšanas dobuma veidošanās ātrums samazinās no maksimālā 20,5% līdz 14,5%.
Testā optimālos apstākļos (100 μm tērauda sieta biezums, 80 s atteces laiks) tika saražoti 1000 izstrādājumi, un nejauši tika mērīts 100 QFN un skaidas metināšanas dobuma veidošanās ātrums. Vidējais QFN metināšanas dobuma veidošanās ātrums bija 16,4%, bet skaidas vidējais metināšanas dobuma veidošanās ātrums bija 14,7%. Šķembas un skaidas metināšanas dobuma veidošanās ātrums ir acīmredzami samazināts.
4.2 Jaunais process uzlabo metināšanas dobumu
Faktiskā ražošanas situācija un testi liecina, ka, ja metināšanas dobuma laukums mikroshēmas apakšā ir mazāks par 10%, mikroshēmas dobuma pozīcijas plaisāšanas problēma svina savienošanas un formēšanas laikā nerodas. DOE optimizētie procesa parametri nevar izpildīt prasības attiecībā uz caurumu analīzi un novēršanu parastajā lodēšanas pastas atkārtotas metināšanas procesā, un mikroshēmas metināšanas dobuma laukums ir vēl vairāk jāsamazina.
Tā kā uz lodējuma pārklātā mikroshēma neļauj lodējumā esošajai gāzei izplūst, caurumu veidošanās ātrums mikroshēmas apakšā tiek vēl vairāk samazināts, likvidējot vai samazinot lodējuma pārklātās gāzes daudzumu. Tiek izmantots jauns reflow metināšanas process ar divu veidu lodēšanas pastas apdruku: viena lodēšanas pastas apdruka, viena reflow, kas neaizsedz QFN, un tukša mikroshēma, kas izvada gāzi lodējumā; Specifiskais sekundārās lodēšanas pastas apdrukas, ielāpa un sekundārās atteces process ir parādīts 13. attēlā.
Kad 75 μm bieza lodēšanas pasta tiek uzdrukāta pirmo reizi, lielākā daļa gāzes lodēšanas materiālā bez mikroshēmas pārklājuma izplūst no virsmas, un biezums pēc atplūdes ir aptuveni 50 μm. Pēc primārās atplūdes pabeigšanas uz atdzesētā, sacietējušā lodēšanas materiāla virsmas tiek uzdrukāti mazi kvadrātiņi (lai samazinātu lodēšanas pastas daudzumu, samazinātu gāzes izliešanu, samazinātu vai novērstu lodēšanas šļakatas), un lodēšanas pastas biezums ir 50 μm (iepriekš minētie testa rezultāti liecina, ka vislabākais ir 100 μm, tāpēc sekundārās drukas biezums ir 100 μm.50 μm = 50 μm), pēc tam tiek uzstādīta mikroshēma un pēc tam atgriezta 80 s. Pēc pirmās drukas un pārkausēšanas lodēšanas materiālā gandrīz nav caurumu, un otrajā drukā lodēšanas pasta ir maza, un metināšanas caurums ir mazs, kā parādīts 14. attēlā.
Pēc divām lodēšanas pastas izdrukām, doba zīmēšana
4.3 Metināšanas dobuma efekta pārbaude
Pēc 2000 izstrādājumu ražošanas (pirmā drukas tērauda sieta biezums ir 75 μm, otrā drukas tērauda sieta biezums ir 50 μm), pārējie apstākļi nemainās, nejauši izmērot 500 QFN un skaidu metināšanas dobuma ātrumu, tika konstatēts, ka jaunajā procesā pēc pirmās atplūdes nav dobuma, pēc otrās atplūdes QFN maksimālais metināšanas dobuma ātrums ir 4,8%, un skaidu maksimālais metināšanas dobuma ātrums ir 4,1%. Salīdzinot ar sākotnējo vienas pastas drukas metināšanas procesu un DOE optimizēto procesu, metināšanas dobums ir ievērojami samazināts, kā parādīts 15. attēlā. Pēc visu izstrādājumu funkcionālajām pārbaudēm netika konstatētas skaidu plaisas.
5 Kopsavilkums
Lodēšanas pastas drukas daudzuma un atteces laika optimizācija var samazināt metināšanas dobuma laukumu, taču metināšanas dobuma ātrums joprojām ir liels. Izmantojot divas lodēšanas pastas drukas atkārtotas metināšanas metodes, var efektīvi palielināt metināšanas dobuma ātrumu. QFN shēmas tukšās mikroshēmas metināšanas laukums masveida ražošanā var būt attiecīgi 4,4 mm x 4,1 mm un 3,0 mm x 2,3 mm. Pārplūdes metināšanas dobuma ātrums tiek kontrolēts zem 5%, kas uzlabo atkārtotas metināšanas kvalitāti un uzticamību. Šajā rakstā veiktais pētījums sniedz svarīgu atsauci lielu metināšanas virsmu metināšanas dobuma problēmas uzlabošanai.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 5. jūlijs
